淺談水電站螺旋式調(diào)壓井設(shè)計(jì)思路

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)雙柏開發(fā)有限公司，云南 雙柏 675107)

淺談水電站螺旋式調(diào)壓井設(shè)計(jì)思路

趙興有

(中國(guó)水電顧問集團(tuán)雙柏開發(fā)有限公司，云南 雙柏 675107)

大灣電站調(diào)壓井工程原設(shè)計(jì)為豎井方案，井筒直徑16m，由于地處強(qiáng)風(fēng)化的破碎巖體中，大跨度的井筒尤其穹頂部位，難于開挖成型，施工安全、質(zhì)量也難以保證。經(jīng)認(rèn)真研究，將原方案調(diào)整為螺旋式調(diào)壓井，有效地避開了強(qiáng)風(fēng)化破碎巖體。本文對(duì)此加以介紹。

調(diào)壓井；豎井方案；螺旋式調(diào)壓井

1 概 述

1.1 工程概況

大灣電站屬三等中型工程，水庫正常蓄水位748m，死水位741m，汛期運(yùn)行水位742m，水庫庫容2460萬m3，電站裝機(jī)49.8(2×24.9)MW。電站以單一發(fā)電為主，無防洪、灌溉、航運(yùn)、供水等其他綜合利用要求。

1.2 地質(zhì)條件

調(diào)壓井順山梁布置，地形坡度25°～35°，山梁兩側(cè)地形相對(duì)較陡，坡度約為30°～45°。地質(zhì)勘探資料顯示，調(diào)壓井部位坡積層厚度約4m，主要由碎石質(zhì)粉土混塊石及部分腐殖土組成，結(jié)構(gòu)疏松。下伏基巖為侏羅系下統(tǒng)馮家河組砂質(zhì)板巖夾長(zhǎng)石石英砂巖。因地處山梁部位，巖體風(fēng)化、卸荷及蠕變強(qiáng)烈，全、強(qiáng)風(fēng)化層較深，并存在夾層風(fēng)化現(xiàn)象。強(qiáng)風(fēng)化下限埋深45～60m，最深達(dá)86m，強(qiáng)卸荷巖體水平深度約16m，卸荷巖體水平深度大于71m，巖體普遍傾倒，傾倒深度與卸荷深度基本一致。

調(diào)壓井部位結(jié)構(gòu)面以Ⅳ、Ⅴ級(jí)為主，無Ⅲ級(jí)及以上結(jié)構(gòu)面發(fā)育，結(jié)構(gòu)面夾泥嚴(yán)重。頂拱部位巖體全—強(qiáng)風(fēng)化，圍巖以Ⅴ類為主，巖體破碎，強(qiáng)度較低，自穩(wěn)能力差，開挖過程中需及時(shí)進(jìn)行支護(hù)。井筒中段巖體強(qiáng)—弱風(fēng)化，圍巖以Ⅳ、Ⅴ類為主，巖體較為破碎，強(qiáng)度較低，自穩(wěn)能力較差，開挖過程中應(yīng)及時(shí)支護(hù)處理。井筒下段巖體弱風(fēng)化，圍巖以Ⅳ、Ⅲ類為主，巖體相對(duì)完整，局部圍巖穩(wěn)定性差，開挖后需對(duì)圍巖及時(shí)支護(hù)處理。

2 調(diào)壓井設(shè)計(jì)變更原因

2.1 可研階段設(shè)計(jì)方案

2.1.1 調(diào)壓井布置

可研階段，調(diào)壓井布置在引水洞1+300處的右岸山梁上，調(diào)壓井井筒直徑16m，斷面面積200.96m2，根據(jù)調(diào)壓井涌浪計(jì)算結(jié)果，最高涌浪水位761.1m，最低涌浪水位726.834m，確定調(diào)壓井井筒頂高程765m，穹頂高程770m，壓力管道進(jìn)口軸線高程720.625m。根據(jù)調(diào)壓井涌浪計(jì)算結(jié)果，確定阻抗孔直徑3.5m，面積為引水洞面積的34%，可以有效抑制調(diào)壓室的波動(dòng)幅度及加速波動(dòng)的衰減。在穹頂設(shè)置水平通風(fēng)洞(寬×高=4m×5m)，底板高程765m。

根據(jù)調(diào)壓井結(jié)構(gòu)型式及圍巖條件，初步確定調(diào)壓井底板厚1m，井壁厚0.5m，采用鋼筋混凝土襯砌，頂拱初期支護(hù)為掛網(wǎng)噴錨支護(hù)，井壁初期支護(hù)為噴錨支護(hù)。

2.1.2 變更原因

大灣水電站開工后首先進(jìn)行引水洞開挖、支護(hù)施工，并由2號(hào)施工支洞下游面向調(diào)壓井下部筒體開挖推進(jìn)，同步安排調(diào)壓井上部通風(fēng)洞開挖支護(hù)，待通風(fēng)洞開挖到調(diào)壓井位置后，開挖小導(dǎo)洞與調(diào)壓井下部貫通，再擴(kuò)挖至全斷面貫通。通風(fēng)洞斷面尺寸4m×5m(寬×高)，但在進(jìn)洞后不久就出現(xiàn)大面積塌方，期間采用鋼支撐強(qiáng)支護(hù)、弱進(jìn)尺處理。2010年3月11日，在調(diào)壓井穹頂前半球按調(diào)壓井支洞斷面開挖支護(hù)至調(diào)壓井中心時(shí)，由于圍巖較差，右邊拱出現(xiàn)大規(guī)模塌方，調(diào)壓井洞身及通風(fēng)洞被堵死，工程被迫停工。隨后施工單位先充填灌漿，待具有一強(qiáng)度后，用鋼支撐配合超前錨桿、管棚、掛網(wǎng)噴混凝土等方法進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)、短進(jìn)尺處理，但效果不明顯，塌方范圍有進(jìn)一步擴(kuò)大的趨勢(shì)。

為此，從安全角度出發(fā)，設(shè)計(jì)單位對(duì)調(diào)壓井設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)核、調(diào)整，經(jīng)認(rèn)真分析，可研階段調(diào)壓井方案存在以下問題：

a.直徑16m的調(diào)壓井穹頂處于地質(zhì)條件復(fù)雜變化的強(qiáng)風(fēng)化巖層中，即使采用強(qiáng)支護(hù)也難以成型，調(diào)壓井井筒開挖安全隱患極大。施工單位對(duì)此也表示無法實(shí)施，安全無法保障。

b.原支護(hù)設(shè)計(jì)僅用噴錨支護(hù)，井筒鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)厚度0.5m也顯得較為單薄。

此后，設(shè)計(jì)、專家組一行多次深入現(xiàn)場(chǎng)踏勘、研究比較方案，最終提出螺旋式調(diào)壓井方案。該方案一方面可避開不利地質(zhì)構(gòu)造影響，同時(shí)減小開挖跨度?？裳须A段設(shè)計(jì)的16m直徑井筒跨度大，巖體破碎風(fēng)化嚴(yán)重，尤其穹頂部位更難于開挖成型。變更后的6m×6m的城門洞形，有利于開挖洞身整體穩(wěn)定，洞身工程施工安全、開挖質(zhì)量及混凝土襯砌質(zhì)量較易保證，對(duì)電站發(fā)電運(yùn)行穩(wěn)定更加有利。另一方面，結(jié)合今后壓力鋼管安裝通道，極大提高了施工便利性。

2.2 推薦設(shè)計(jì)方案

根據(jù)上述情況，經(jīng)深入設(shè)計(jì)、比較分析，提出推薦設(shè)計(jì)方案。

2.2.1 方案比較

根據(jù)調(diào)壓井所處地形地質(zhì)條件，按照如下原則進(jìn)行調(diào)壓井布置：

a.調(diào)壓井布置于較好圍巖中。

b.不影響已完成的的工作面和工程。

c.方便施工和為后續(xù)工作提供方便。

根據(jù)上述原則提出了如下四個(gè)設(shè)計(jì)比較方案：

a.前移方案。將調(diào)壓井前移90m，布置于圍巖較完整的砂巖中，可以保證調(diào)壓井圍巖穩(wěn)定及施工順利進(jìn)行。缺點(diǎn)是延長(zhǎng)鋼管道長(zhǎng)度，需廢棄已完成的部分引水隧洞和施工支洞，重新開挖施工支洞。

b.后移方案。將調(diào)壓井后移60m，采用明挖調(diào)壓井方案，這樣可以保證調(diào)壓井施工安全。缺點(diǎn)是調(diào)壓井將形成100m多高的邊坡，開挖支護(hù)工程量較大，工期及投資均不利；另外只能在地質(zhì)條件較差的圍巖中布置豎井，同樣難以施工。

c.扁圓方案。維持原調(diào)壓井中心線位置不變，將圓形斷面改變?yōu)楸鈭A形(8m×32m)，減少開挖跨度，這在一定程度上降低了施工難度，且已完工程均可正常使用。缺點(diǎn)是通風(fēng)洞及頂拱施工難度大，安全隱患大。

d.螺旋方案。采用底坡13%的螺旋形調(diào)壓井，凈空尺寸6m×6m。這一方案避開了地質(zhì)復(fù)雜的強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域，增強(qiáng)了施工安全性，調(diào)壓井底坡滿足了施工出渣及進(jìn)料運(yùn)輸要求，可兩端同時(shí)開挖施工和同時(shí)澆筑混凝土，對(duì)工程進(jìn)度有利；根據(jù)工程整體調(diào)整布置，調(diào)壓井將兼具壓力鋼管運(yùn)輸通道。缺點(diǎn)是增加一定工程量。

經(jīng)分析比較，大灣電站推薦采用螺旋式調(diào)壓井方案，該方案調(diào)壓井水平投影面積248.8m2，大于原設(shè)計(jì)的200.96m2，滿足調(diào)壓需求。

2.2.2 推薦方案布置

推薦方案調(diào)壓井布置在引水隧洞1+310處，阻抗孔設(shè)置在右側(cè)，直徑3.5m；調(diào)壓井采用城門洞形(底寬6m、高6m)，螺旋形上升(坡度13%)，上接已開挖的通風(fēng)洞。

推薦方案調(diào)壓井各類圍巖比重為：Ⅱ類圍巖占17.8%，Ⅲ類圍巖占24.4%，Ⅳ類圍巖占41.9%，Ⅴ類圍巖占15.9%。調(diào)壓井下段主要為微風(fēng)化—新鮮的砂質(zhì)板巖，中段為微風(fēng)化—新鮮的長(zhǎng)石石英砂巖，上段為弱風(fēng)化的砂質(zhì)板巖，總體地質(zhì)條件較好。

3 推薦方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證推薦調(diào)壓井方案的可行性，主要從水頭損失、調(diào)壓室穩(wěn)定斷面、調(diào)壓室涌浪水位幾方面復(fù)核驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)算，得出如下結(jié)論：

a.推薦方案水頭損失為3.022m，比可研方案水頭損失3.064m略小，滿足設(shè)計(jì)要求。

b.與可研成果相比，推薦方案調(diào)壓室水平投影面積為248.77m2，比可研估算斷面積200.96m2大，滿足調(diào)壓需求。

c.變更后調(diào)壓井最高涌浪水位756.28m，比調(diào)壓井頂部高程762m低5.72m。最低涌浪水位734.106m，比引水隧洞洞頂高程723.55m高10.55m，大于2m，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 方案實(shí)施效果

4.1 工程量對(duì)比

調(diào)壓井方案變更前后工程量對(duì)比見下表。

調(diào)壓井方案變更前后工程量對(duì)比表

4.2 實(shí)施效果

2011年5月確定采用設(shè)計(jì)推薦的螺旋式調(diào)壓井方案，期間因停工1年多時(shí)間，原施工單位已退場(chǎng)，項(xiàng)目重新招標(biāo)組織施工隊(duì)伍進(jìn)場(chǎng)。2011年10月調(diào)壓井恢復(fù)施工，因圍巖較差，對(duì)全長(zhǎng)311.7m城門洞形6m×6m的調(diào)壓井洞身，全洞段采用鋼支撐、超前錨桿、掛鋼筋網(wǎng)及噴混凝土進(jìn)行強(qiáng)支護(hù)、短進(jìn)尺處理。2012年7月14日，調(diào)壓井開挖順利貫通，隨后對(duì)調(diào)壓井進(jìn)行全斷面噴混凝土補(bǔ)強(qiáng)處理(見圖1、圖2)。

圖1 螺旋式調(diào)壓井洞身開挖掌子面情況

圖2 螺旋式調(diào)壓井洞身開挖支護(hù)效果

2013年4月開始調(diào)壓井洞室底板清基，2013年5月開始底板混凝土澆筑。2013年7月18日調(diào)壓井底板混凝土澆筑完成，移交工作面于金結(jié)單位，作為壓力鋼管道安裝運(yùn)輸通道使用。計(jì)劃壓力鋼管安裝完成后，適時(shí)進(jìn)行調(diào)壓井邊頂拱混凝土澆筑。

對(duì)比可研方案，螺旋式調(diào)壓井方案工程量有所增加。但在相同地質(zhì)條件下，豎井方案開挖難度大，要先開挖調(diào)壓井上部通風(fēng)洞，待通風(fēng)洞開挖到調(diào)壓井位置后，開挖小導(dǎo)洞與調(diào)壓井下部洞身貫通，再擴(kuò)挖至全斷面貫通。豎井?dāng)U挖斷面直徑16m，尤其是高46m的井筒，施工質(zhì)量、人身安全均難以保證，且開挖洞渣料無法正常運(yùn)送出洞外，對(duì)工期不利。

采用13%底坡、斷面6m×6m城門洞形螺旋式調(diào)壓井，工程機(jī)械可正常出入，出渣便利。小跨度城門洞形斷面，開挖支護(hù)難度降低，每延米洞身開挖支護(hù)量減小，循環(huán)快，能真正意義上實(shí)現(xiàn)新奧法施工的時(shí)效性。工程質(zhì)量、安全、進(jìn)度均得到有效保證，也為其他工種作業(yè)提供了極大便利。

5 結(jié) 語

對(duì)調(diào)壓井設(shè)計(jì)方案變更調(diào)整，可以得出如下結(jié)論：

a.工程量比可研階段工程量增加較多，但方案的調(diào)整減少了施工難度和施工風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)了工程整體安全性。

b.變更后調(diào)壓井水平投影面積滿足托馬公式要求，涌浪計(jì)算結(jié)果與可研階段成果基本相當(dāng)，且波動(dòng)范圍比可研成果略小，機(jī)組的安全運(yùn)行有保障。

c.設(shè)計(jì)變更后無論一次支護(hù)還是二次襯砌結(jié)構(gòu)，均得到充分加強(qiáng)，工程安全性更好。

d.方案變更后挖掘斷面積變小，跨度減小，可采用較常規(guī)的開挖方法順利通過不良地質(zhì)洞段，施工安全更有保障。可兩端同時(shí)施工，加快工程進(jìn)度。

e.變更后調(diào)壓井底板可兼作壓力鋼管運(yùn)輸通道，順利解決了該電站壓力鋼管運(yùn)輸難的問題。

OnSpiralSurgeShaftDesignIdeasofHydropowerStation

ZHAO Xing-you

(Hydro-ChinaConsultingGroupShuangbaiDevelopmentCo.,Ltd.,Shuangbai675107,China)

Dawan Hydropower Station surge shaft project is originally designed into vertical shaft. The shaft diameter is 16m. Since the project is located in highly weathered crushing rock, it is difficult to excavate and shape shaft with large span, especially in dome area. The construction safety and quality cannot be ensured. The original plan is adjusted into spiral surge shaft after careful research, thereby effectively avoiding highly weathered crushing rock. The condition is introduced in the paper.

surge shaft; vertical shaft plan; spiral surge shaft

TV732.5+1

A

1673-8241(2014)08-0050-04